Ein Plädoyer für offene Schnittstellen zum Datenaustausch und zur Koppelung von Simulationsverfahren am Beispiel von OpenMI

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1 Ein Plädoyer für offene Schnittstellen zum Datenaustausch und zur Koppelung von Simulationsverfahren am Beispiel von OpenMI Kolloquium in der BAW DH am Abteilung Küste der Bundesanstalt für Wasserbau in Hamburg Peter Schade, BAW - DH / Folie-Nr. 1

2 Weshalb offene Schnittstellen? Integrierte Modellierung mit offenen Schnittstellen: - reduziert die Entwicklungsarbeit - entlastet den Modellierer - effiziente Qualitätssicherung Gutachten nach dem aktuellen Stand der Wissenschaft -> komplexe numerische Modelle mit komplexen Eingangsdaten Ressourcen bei der Entwicklung der Modelle und der Modellierung sind begrenzt. BAW - DH / Folie-Nr. 2

3 Inhalt 1. Grundlagen - Datenimport in ein Modell mit OpenMI - Multimodell-Prognosen 2. Anwendung auf Ästuarmodelle entlang der deutschen Nordseeküste 3. Zusammenfassung und Perspektiven BAW - DH / Folie-Nr. 3

4 1. Integration eines Modelles Initial Anfangswerte Data Wasserstand Initial offener Data Rand Initial freie Data Oberfläche Initial Quellen, Data Senken Eingabedaten in propriet. Formaten? Multidimensionales (2D oder 3D) hydrodynamisches Modell inkl. Temperatur und Sedimenttransport BAW - DH / Folie-Nr. 4

5 1. Integration eines Modelles Initial Anfangswerte Data z.b. Wasserstand Initial offener Data Rand standardisierter und generischer Link-Mechanismus Initial freie Data Oberfläche Initial Quellen, Data Senken Eingabedaten in propriet. Formaten Open Modelling Interface (OpenMI) Multidimensionales (2D oder 3D) hydrodynamisches Modell inkl. Temperatur und Sedimenttransport BAW - DH / Folie-Nr. 5

6 1. OpenMI konformer Import in Delft3D OpenMI Standard: LinkableComponent LinkableComponent Fortran 90 C# LinkableComponent Fortran 90 BAW selafin netcdf classic Readers Generic Engine Interface GEI DotNet Access GEI Wrapper OpenMI WLDelft Wrapper Delft3D- FLOW Migration bestehender Software Visualis. Davit ArcGIS generischer Ansatz Wiederverwendung von Komponenten Import on-the-fly zur Laufzeit ohne Zwischendateien BAW - DH / Folie-Nr. 6

7 1. OpenMI konformer Import in Delft3D OpenMI Standard: LinkableComponent offen für andere LinkableComponents: LinkableComponent Fortran90 C# anderes HN Modell BAW selafin netcdf classic Readers Generic Engine Interface GEI DotNet Access GEI Wrapper OpenMI WLDelft Wrapper Delft3D- FLOW Migration bestehender Software Visualis. Davit ArcGIS Seegangs- Model generischer Ansatz Wiederverwendung von Komponenten Import on-the-fly zur Laufzeit ohne Zwischendateien BAW - DH / Folie-Nr. 7

8 1. Beteiligte KollegInnen / Institutionen OpenMI: EU-Projekt LinkableComponent Fortran90 C# LinkableComponent Fortran BAW classic selafin netcdf Readers Generic Engine Interface GEI DotNet Access GEI Wrapper OpenMI WLDelft Wrapper Delft3D- FLOW G. Lang, J. Jürges, A. Plüß, U. Schiller, S. Spohr, R. Schubert, U. Vierfuß A. Mourits, R. Brinkman, G. Donchyts, B. Jagers, D. Levelt BAW - DH / Folie-Nr. 8

9 1. Multimodell-Prognosen Multimodell-Anwendungen liefern ein Ensemble an Ergebnissen. Sie bestehen aus verschiedenen numerischen Modellen für die gleiche Fragestellung oder aus mehreren Simulationen, die mit einem Modell und verschiedenen Anfangsbedingungen gestartet wurden. Analysieren des Ensembles mit stochastischen Methoden -> verlässlichere Ergebnisse BAW führte MM-Prognosen durch, aber sie bedeuteten mehrfachen Aufwand, da Eingabedateien in verschiedenen Formaten zu generieren waren. Wie kann OpenMI diesen Aufwand reduzieren? Simulation Aufbereiten von Messdaten, Validierung Randwerte Anfangswerte UnTRIM & Reader Analyse Delft3D D3Dresult BDF Reader Preprocessing Postprocessing Visualisierung result OpenMI offline Kon version BAW - DH / Folie-Nr. 9

10 2. Anwendung auf Ästuarmodelle entlang der deutschen Küste BAW - DH / Folie-Nr. 10

11 2. Ems: HN Modelle UnTRIM und Delft3D UnTRIM und Delft3D berechnen Wasserstand, Geschwindigkeit und Salzgehalt. offener Rand: Wstand., Salzgeh. Dateiformate für UnTRIM Delft3D Delft3D classic OpenMI (GEIWrapper) BAW Delft3D BAW Anfangswerte: z.b. Salzgehalt BAW Delft3D BAW BAW Delft3D BAW offener Rand: Oberwasserzufl. Salzgehalt Identische Eingabedateien machen Ergebnisse vergleichbarer. -> Multimodell-Prognose BAW - DH / Folie-Nr. 11

12 2. Ems: Multimodell-Prognose 1 maximaler Salzgehalt :23:00 DELFT3D HE-NSEE 2 maximaler Salzgehalt :41:00 DELFT3D HE-NSEE 3 maximaler Salzgehalt :17:00 DELFT3D HE-NSEE 4 maximaler Salzgehalt :39:00 DELFT3D HE-NSEE 5 maximaler Salzgehalt :56:00 DELFT3D HE-NSEE 6 maximaler Salzgehalt :19:00 DELFT3D HE-NSEE 7 maximaler Salzgehalt :38:00 DELFT3D HE-NSEE 8 maximaler Salzgehalt :16:00 DELFT3D HE-NSEE 9 maximaler Salzgehalt (Mit) DELFT3D HE-NSEE Ems: 10 d(maximaler Salzgehalt (Mit)) Delft3D HE-NSEE 11 d(maximaler Salzgehalt (Mit)) UnTRIM HE-NSEE maximaler Salzgehalt [10 ** -3] 8 Kurven für 8 Tiden Mittelwert von 8 Tiden Istzustand in Delft3D d(untrim) d(delft3d) SALINITY SOURCE km NORTHSEA EMS100 EMS80 EMS60 EMS40 EMS20 EMS0 DEK215 Ems 100 Ems 40 DEK 215 Ems 80 Ems 20 Ems 60 Ems 0 BAW - DH / Folie-Nr. 12 d (maximaler Salzgehalt) [10 ** -3] Salzquelle Differenzen durch die Quelle Physik der Modelle, Qualitätssicherung Programm LQ2PRO

13 2. GUI: Modellierer entlasten. ElementSet AllLocations ElementSet. XYPoint---North ElementSet XYPoint---East automatische räumliche Interpolation BAW - DH / Folie-Nr. 13

14 Nordsee: Import eines Windfeldes 2D Windfeld, räumlich und zeitlich variierend NorthSea - wind velocity simulierter Wasserstand Borkum Borkum Großbritan. Mitteleuropa time: 11/01/ :00 Quelle DWD courtesy dwd contour lines for in topography mmsl km Sturmflut Britta November 2006 m/s Program HVIEW2D 11/12/2007 BAW - DH / Folie-Nr. 14

15 2. Elbe: Anfangsverteilung Sediment Sediment: Schichtdicke an der Sohle Gebietszerlegung Nordsee Beschleunigung bei mehreren Prozessoren Hamburg BAW - DH / Folie-Nr. 15

16 2. Elbe: Implantierte Quellen (x 2, y 2 ) Quellen mit Koordinaten im GEIWrapper original Implantation Delft3D-Gitter in ohne Delft3D-Gitter Quellen (x 1, y 1 ) eine Verknüpfung von GEIWrapper zu Delft3D BAW - DH / Folie-Nr. 16

17 2. Elbe: Import einer Einjahreszeitreihe Keine Beschränkung der Länge der importierten Zeitserie Waterlevel [m] 2002 BAW - DH / Folie-Nr. 17

18 3. Schlussfolgerungen und Perspektiven BAW - DH / Folie-Nr. 18

19 3. Pro und Contra OpenMI aber es gibt Anleitungen / Schulungen. OpenMI ist ein ausgereifter Standard. Bei Integration weiterer Modelle und Formate: Wiederverwendbarkeit von Komponenten - durch den generischen Ansatz und -die Offenheit der Schnittstelle OpenMI ist ein vielseitiger Standard. Automatische Interpolation erleichtert die Arbeit: empfiehlt sich für Randwerte an offenen Rändern / der freien Oberfläche effiziente Multimodell-Prognosen (Qualitätssicherung): verschiedene numerische Verfahren haben identische Anfangs- / Randwerte. für Entwickler und Modellierer und Gutachtenqualität Ein Modell OpenMI-konform zu gestalten bedeutet einen gewissen Mehraufwand BAW - DH / Folie-Nr. 19

20 BAW - DH / Folie-Nr Perspektiven OpenMI (OpenMI Association) sinnvoll: weitere Methoden zur räumlichen Interpolation: Polarkoordinaten, Interpolation durch Triangulation weitere 2D/3D OpenMI-konforme Modellverfahren wären sinnvoll Verbesserung der Modellprognosen: - einfache Erweiterung um weitere physikal. Prozesse - Verknüpfen von Modellen über Institutsgrenzen hinweg - leichtere Qualitätssicherung der Ergebnisse BAW-Workshop Integrated Modelling with the OpenMI